氨基甲酸酯的抗磨性能及其作用機理的研究

胡 潔，于 寧，楊翰林，劉 蕊，陳化飛，許玲玲，宋應金

(哈爾濱商業(yè)大學，哈爾濱150076)

在潤滑油中加入一定量的極壓抗磨劑可以改善其潤滑性能，減小摩擦表面之間的摩擦阻力，進一步防止材料的磨損和擦傷[1]使用性能優(yōu)良的極壓抗磨添加劑可明顯改善工業(yè)齒輪的油潤滑狀況，減少磨損，提高工作壽命.二戊基氨基甲酸酯具有良好的抗磨性能和特殊的過氧化物的中和性能.為了進一步了解二戊基氨基甲酸酯單組分的抗磨性能及其“邊界潤滑膜”的形成機理及作用機理，本文對二戊基氨基甲酸酯單組分在成品油中的摩擦學效應進行了研究.

1 實驗部分

1.1 基礎油和添加劑

1.1.1 基礎油

大慶潤滑油一廠，石蠟基深度精制基礎油200SN，黏度指數(shù)95.

1.1.2 添加劑

二戊基氨基甲酸酯、ZDDP(二烷基二硫代磷酸鋅)、硼酸酯

1.2 抗磨性能測試

抗磨性能的測試儀器為濟南試驗機廠生產(chǎn)的MQ－800四球試驗機.使用的鋼球為GCr15標準鋼球，硬度為59～61，直徑為12.7 mm.實驗條件為:轉(zhuǎn)速1 450 r/min，室溫，長磨時間為60 min，載荷為392 N.測量其磨痕直徑，單位為mm;最大無卡咬負荷(PB值)，單位為N.測試后，以磨痕直徑和最大無卡咬負荷測定值評價添加劑的抗磨性能能.

1.3 邊界潤滑膜的形成

通過試驗觀測在開始摩擦之前，在金屬與潤滑劑接觸處形成的物質(zhì).在摩擦過程中，觀測摩擦開始前形成的物質(zhì)的變化.滑動過程中，各種各樣的化學反應起源于界面物質(zhì).這些反應的最后產(chǎn)物明顯粘附到摩擦表面上，從而形成抗磨損反應膜，觀測邊界膜形成的過程.

2 結果與討論

2.1 二戊基氨基甲酸酯的抗磨性能

二戊基氨基甲酸酯單組分的抗磨性能見表1.

表1 二戊基氨基甲酸酯單組分抗磨效果

從表1中可以看出，將二戊基氨基甲酸酯單組分加到基礎油中，油品的抗沖擊復合一般，抗磨性較好，但不能滿足使用要求.

表2 二戊基氨基甲酸酯與硼酸酯和ZDDP三元復合后的抗磨效果

從表2中可以看出在復合了一定量的硼酸酯和ZDDP后，隨著基礎油中二戊基氨基甲酸酯單組分加入量的增多，鋼球磨斑直徑不斷減小，油品的抗磨性能逐漸變好，載荷能力得到提高，當添加量達到1.5%時，磨痕直徑接近最小，油品的抗磨性能達到最佳效果且最經(jīng)濟.

2.2 鋼球磨斑表面分析

2.2.1 鋼球表面的元素分析

圖1為392 N負荷下，含1.5%的二戊基氨基甲酸酯復合0.5%的ZDDP及0.35%的硼酸酯后的長磨60 min后，鋼球表面主要元素在窄能量范圍內(nèi)的X射線光電子能譜(XPS譜).表3中列出了磨斑表面各元素的電子結合能以及對應的化合物.由圖1和表3可以看出，鋼球磨斑表面的S以FeS和Fe-SO4形式存在;P以FePO4形式存在;Fe以Fe2O3和FeO形式存在;Zn元素是以單質(zhì)形式存在.從以上XPS分析結果可以推測，鋼球磨損表面生成了Zn、FeS、FeSO4和FePO4等組成的復合表面膜.

ZDDP首先在摩擦表面上受到機械力、摩擦高溫和活性新鮮金屬表面等外界條件的作用而分解，產(chǎn)生了Zn2+，同時在局部高能狀態(tài)激發(fā)下，新生成金屬表面產(chǎn)生了外逸電子，Zn2+經(jīng)過摩擦化學反應得到電子，從而產(chǎn)生大量的新生Zn原子，隨著Zn原子的增多，它們不斷向表面擴散并吸附在金屬表面上.一方面可沉積在金屬表面，生成一層軟金屬潤滑膜，因其熔點僅有321℃，會在摩擦產(chǎn)生的高溫作用下軟化，形成極易抗剪切的軟金屬膜，是表面更加平整，提高了表面的光潔度，降低了單位面積的負荷，從而提高了添加劑的承載能力.

2.2.2 生成的邊界膜分析

1)物理吸附膜

物理吸附是靠潤滑劑極性分子之間的范德華力作用，以單分子層或多分子層吸附在表面上，在形成過程中不發(fā)生電子轉(zhuǎn)移.如果在油中加入少量極性添加劑，就能形成具有一定強度的表面吸附層.物理吸附膜對溫度較為敏感，升溫能引起解吸、位向消失或膜的熔化，但吸附和脫附是可逆的;硼酸酯和二戊基氨基甲酸酯以及ZDDP的非極性端之間就是依靠范德華力作用形成了致密的邊界膜層;其極性端則牢牢的吸附在金屬表面，從而形成了能在低溫、低速和較低載荷下的邊界潤滑膜層;單組分形成的吸附膜的致密程度遠小于復合劑形成的吸附膜的致密程度(由抗磨性試驗結果可見).

表3 磨斑表面元素的電子結合能

圖1 鋼球表面主要元素在窄能量范圍內(nèi)的X射線光電子能譜

2)化學吸附膜

當摩擦表面的溫度、速度和載荷進一步升高時，二戊基氨基甲酸酯、硼酸酯和二烷基二硫代磷酸鋅的極性端與金屬表面發(fā)生電子交換，以化學鍵吸附在表面上，成為化學吸附膜.化學吸附膜需要活化能，不易解析逆轉(zhuǎn).化學吸附膜可在其熔點以下保持有效的潤滑，但若溫度過高，同樣會使吸附膜位向消失、變軟和熔化失效.吸附分子與金屬之間的結合力，既決定于吸附物，也決定于金屬的性質(zhì).化學吸附具有一定的選擇性.在很多情況下，物理吸附與化學吸附是同時進行的，但有一種是主要的，在室溫條件下基本上是物理吸附，在高溫條件下是化學吸附.

3)化學反應膜

當摩擦表面的溫度、速度和載荷進一步升高時，潤滑油中的極性分子中的元素S、O和P在局部高溫下分解，在金屬表面相互作用形成硫化鐵、磷化鐵、氧化鐵等不可逆的化學反應膜(見X射線光電子能譜分析結果)，從而避免金屬的直接接觸，減少摩擦，并能防止摩擦溫度的進一步升高;顯示出二戊基氨基甲酸酯與ZDDP復合后優(yōu)異的加合效應，硫化物潤滑能力可保持到800℃[2－3].

由此，在三種邊界潤滑膜層同時存在時，能滿足各種工況下的潤滑要求;選擇合適的抗磨組分進行復合添加效果最佳且最經(jīng)濟.

3 結論

1)合成的二戊基氨基甲酸酯單組分添加劑在基礎油中雖然具有一定的抗磨性能，但不能單獨作為一種功能添加劑使用，與一定量的硼酸酯及ZDDP復合后顯示優(yōu)異的加合效應.

2)二戊基氨基甲酸酯單組分在金屬表面上發(fā)生了摩擦化學反應，生成輔助的邊界潤滑膜，起到了較好的極壓、抗磨效果.

3)二戊基氨基甲酸酯單組分在200SN基礎油中具有較好的抗磨性能，在復合了硼酸酯和ZDDP后，添加量對其抗磨性能具有較大的影響，添加量增加時，抗磨性能顯著提高，當添加量增大到1.5%，油品的耐磨性能達到最佳且最經(jīng)濟的效果.

[1]黃文軒，韓長寧.潤滑油與燃料添加劑手冊[M].北京:中國石化出版社，1991.

[2]李鐵臻，楊官漢，許世海.液體燃料及潤滑油中硫化物的分析方法探討[J].計量與測量技術，2002，05:44－45.

[3]陳化飛，許玲玲，劉 蕊，等.噻二唑衍生物與氨基甲酸酯復合效應機理研究[J].哈爾濱商業(yè)大學學報:自然科學版，2014，30(3):312－314.